TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA Rakennustekniikka Ympäristörakentaminen INSINÖÖRITYÖ SMP-PAALU Työn tekijä: Katariina Kärnä Työn valvoja: Simo Hoikkala Työn ohjaaja: Tarmo Tarkkio Työ hyväksytty:.. 2006 Simo Hoikkala lehtori
ALKUSANAT Insinöörityö on tehty Helsingin ammattikorkeakoulu Stadialle tekniikan ja liikenteen rakennustekniikan osastolle. Insinöörityön tilaajana toimi Skanska Tekra Oy ja työn aiheena oli SMP-paalu eli Skanska Mini Pile. Tapausesimerkin insinöörityöhön antoi Skanska Tekra Oy. Insinöörityöni valvonnasta kiitän DI Simo Hoikkalaa, Tuomo Suorsaa ja Sonja Holappaa sekä Skanska Tekra Oy:n projektipäällikkö Tarmo Tarkkiota ja vastaava mestari Esko Kautia. Lopuksi haluan kiittää myös kaikkia teitä, ketkä olette panoksellanne auttaneet minua työn valmistumisessa. Hyvinkäällä 10. huhtikuuta 2006 Katariina Kärnä
TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA INSINÖÖRITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Katariina Kärnä Työn nimi: SMP-paalu Päivämäärä: Sivumäärä: 10.4.2006 43+14 Koulutusohjelma: Suuntautumisvaihtoehto: Rakennustekniikka Ympäristörakentaminen Työn valvoja: Simo Hoikkala Työn ohjaaja: Tarmo Tarkkio Tämä insinöörityö on suomenkielinen työ Skanska Mini Pilestä ja laadittiin Skanska Tekra Oy:n toimeksiannosta. Skanska Tekra Oy oli tuomassa Suomeen uutta paalutusmenetelmää, eikä tämän pohjaksi ollut olemassa yhtenäistä koottua suomenkielistä teosta paalutusmenetelmästä. Tästä syystä yhtenäisen selvityksen laatiminen taustatiedoksi osoittautui tarpeelliseksi. Työn tarkoituksena oli koota tietoa Skanska Mini Pilesta sekä selvittää sen etuja ja haittoja muihin paalutusmenetelmiin nähden. Työssä selvitettiin lähinnä puupaaluperustusten saneerauksessa käytettäviä paalutusmenetelmiä. Esimerkkikohteen avulla verrattiin Skanska Mini Pilea muihin paalutusmenetelmiin. Työn avulla pyrittiin selvittämään, paalutusmenetelmän etuja ja haittoja sekä kirjoittamaan ensimmäinen suomenkielinen selvitys paalutusmenetelmästä. Tulevaisuudessa Skanska Mini Pilen toivotaan olevan varteenotettava paalutusmenetelmä Suomessa ja että sillä pystyttäisiin saamaan lisää uusia paalutuskohteita. Tämä työ kokonaisuudessaan toimii pohjana Skanska Mini Pilen tunnettavuuden tekijänä Suomessa. Selvityksen toivotaan auttavan paalutusmenetelmän tunnettavuuden edistäjänä Suomessa ja näin ollen edesauttaen uusien kohteiden saamisessa. Avainsanat: pienpaalu, teräspaalu, paalutus, paaluperustusten korjaus
HELSINKI POLYTECHNIC / TECHNOLOGY ABSTRACT Author: Katariina Kärnä Title: SMP Pile Date: Number of pages: 10 April 2006 43+14 Department: Study Programme: Civil Engineering Environmental Engineering Instructor: Simo Hoikkala, Principal Lecturer Supervisor: Tarmo Tarkkio, M.Sc., Skanska Tekra ltd. This study was carried out for Skanska Tekra Oy, Helsinki, Finland. It is a Finnish version of the Skanska Mini Pile, which is about a new piling method introduced to the Finnish market by Skanska Tekra Oy in the autumn of 2004. This study which provides basic information about this piling method was necessary because there was no Finnish documentation about it. The purpose of this study was to examine the benefits and disadvantages of this particular piling method compared to the other methods. This study concentrated mostly on piling types where wooden piles are being renovated. The comparison to other methods was carried out as a pilot project. The Skanska Mini Pile now exists in Finnish and the idea is to turn the method it describes into a competitive piling method in the future by increasing the awareness of this method in the construction field through this document. Key Words: Mini Pile, Steel pile, piling, Renovation of pile foundation
SISÄLLYS ALKUSANAT TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1 JOHDANTO...1 2 PERUSTUSTEN VAURIOITUMISEN SYYT...2 2.1 Vaurioiden ilmeneminen...2 2.2 Pohjavedenpinnan aleneminen...2 2.2.1 Yleistä pohjavedestä...2 2.2.2 Pohjavedenpinnan alenemisen seuraukset...3 2.3 Routa...4 2.4 Tärinä...5 2.5 Rakennustoiminta lähiympäristössä...5 2.6 Rakennemuutokset...6 3 PERUSTUSTEN KORJAUS- JA VAHVISTAMISMENETELMIÄ...7 4 SKANSKA MINI PILE JA MUUT PAALUT...9 4.1 Puupaalujen korjauksessa käytettäviä paalutustyyppejä...9 4.1.1 Yleistä...9 4.1.2 Porapaalu...9 4.1.3 Lyöntipaalutus...12 4.1.4 Puristuspaalu...13 4.1.5 Suihkuinjektointi...14 4.2 Skanska Mini Pile...15 5 PAALUPERUSTUKSEN SUUNNITTELU...21 5.1 Yleistä paaluperustusten suunnittelusta...21 5.2 Paalun kantavuus sekä kuormitukset...21 5.3 Geotekninen kantavuus...22 5.4 Loppulyönnit...23 6 SKANSKA MINI PILE, PAALUTUS...24 6.1 Paalutusprosessi...24 6.2 Paalutuskalusto...26 6.3 Laadunvalvonta...28 6.4 Paalujen koestus...29 6.5 Laskelmat...31
7 ESIMERKKIKOHDE...34 7.1 Yleistä esimerkkikohteesta...34 7.2 Koekuormitukset ja mittaukset...38 7.2.1 Koekuormitukset ja ehjyysmittaukset yleistä...38 7.2.2 Staattinen koekuormitus...38 7.2.3 Dynaaminen koekuormitus...40 7.2.4 Ehjyysmittaukset...40 7.3 Mittaustulokset...40 7.3.1 Staattisten koekuormitusten tulokset...40 7.3.2 Dynaamisten koekuormitusten tulokset...41 7.3.3 Ehjyysmittausten tulokset...41 8 YHTEENVETO...42 VIITELUETTELO...43 LIITTEET
1 JOHDANTO Insinöörityö SMP-paalusta eli Skanska Mini Pilesta laadittiin Skanska Tekra Oy:n toimeksiannosta. Skanska Tekra Oy oli tuomassa syksyllä 2004 uutta paalutusmenetelmää Suomeen, eikä tämän pohjaksi ollut olemassa yhtenäistä koottua suomenkielistä teosta paalutusmenetelmästä. Insinöörityön tavoitteena on kuvata perustusten korjauksessa käytettäviä menetelmiä sekä verrata näihin menetelmiin Skanska Mini Pilea. Työssä keskitytään erityisesti puupaaluperustusten korjaukseen, millä menetelmillä puupaaluperustuksia korjataan. Ensiksi selvitettiin yleisesti kirjallisuuslähteistä perustusten korjaukseen johtavia yleisiä syitä sekä perustusten korjauksissa käytettäviä menetelmiä. Kirjallisuuslähteiden avulla verrattiin puupaaluperustusten korjauksessa käytettäviä menetelmiä, selvitettiin näiden menetelmien hyötyjä ja haittoja. Työssä vertaillaan puupaaluperustusten korjauksissa käytettäviä menetelmiä Skanska Mini Pileen. Sekä esitellään Skanska Mini Pilea tarkemmin esimerkkikohteen avulla. Vertailun lopputuloksena on Skanska Mini Pilen hyötyjä ja haittoja verrattuna muihin puupaaluperustusten korjausmenetelmiin.
2 2 PERUSTUSTEN VAURIOITUMISEN SYYT 2.1 Vaurioiden ilmeneminen Rakennusten vauriot johtuvat useimmiten perustusten painumisesta. Rakennusten vaurioiden laatu, suuruus ja määrä riippuvat yleensä painumien suuruudesta, epätasaisesta painumisesta, nopeudesta sekä rakennusrungon rakenteesta. Julkisivuissa vauriot näkyvät halkeamina sekä rappauksen putoamisena. Myös ikkunoiden ja ovien avaaminen saattaa vaikeutua, ja putkijohtojen liittymäkohdat rakennuksiin saattavat katketa, koska epätasainen painuma kasvaa liian suureksi. Rakennusten painumista voivat aiheuttaa seuraavat tekijät: pohjavedenpinnan aleneminen täytemaa routa tärinä, mm. liikenne rakennustoiminta lähiympäristössä rakennemuutokset. /9, s. 15 16./ 2.2 Pohjavedenpinnan aleneminen 2.2.1 Yleistä pohjavedestä Pohja- sekä orsivedenpinta saattaa vaihdella voimakkaastikin vuoden aikana sademäärien mukaan. Pohja- ja orsivedenpinnan aleneminen jostakin syystä aiheuttaa puupaalujen lahoamista sekä maakerrosten painumista. Nämä vahingoittavat puupaaluille tai löyhille maakerroksille perustettuja rakennuksia. Pohjavedenpinnan alenemista aiheuttaa maankuoren kohoaminen. Maankuoren kohoaminen vaikuttaa erityisesti alemman pohjavedenpinnan korkeuteen. Myös taajamarakentaminen vaikuttaa veden kiertokulkuun. Päällystetyt kadut ja sadevesiviemäröinti estävät sadannan normaalin imeytymisen maaperään. Orsivedenpinnan alenemista aiheuttavat maanalaisten putkikanavien sorastus, joka toimii salaojan tavoin. Tosin vanhat vuotavat viemäriputket voivat
3 paikallisesti nostaa orsivedenpintaa mutta viemäriveden laatu vaikuttaa haitallisesti mm. puuperustuksiin. Kaukolämpöputkien lämpövuodot ovat joissakin tapauksissa kuivattaneet savea ja aiheuttaneet paikallisesti orsivedenpinnan alenemista. Pohjavedenpinnan aleneminen otettiin huomioon vasta 1970-luvulla. Kuitenkin syvienkaivantojen murtumien estämiseksi edelleen alempaa orsivedenpintaa usein rakennusaikana tilapäisesti alennetaan. Nämä vaikutukset saattavat jäädä pysyviksi. Esimerkiksi Helsingissä 30 vuoden aikana on ollut syvärakennuskohteita, joilla on ollut merkittävä vaikutus pohjavesitilanteeseen ja vaikutukset ovat ulottuneet jopa 500 800 metrin etäisyydelle kaivannosta. /9, s. 17 20./ 2.2.2 Pohjavedenpinnan alenemisen seuraukset Pohjavedenpinnan aleneminen aiheuttaa maapohjan kokoonpuristumista. Pehmeillä savialueilla alemman pohjavedenpinnan muutos aiheuttaa huokosvedenpaineen muutoksen ja tämä aiheuttaa savikerroksen kokoonpuristumisen. Esimerkiksi pohjavedenpinnan kahden metrin aleneminen saattaa aiheuttaa 10 metrin savikerroksessa noin 30 cm painuman. Painuminen tosin saattaa kestää useita vuosikymmeniä. Maan kokoonpuristuminen paalutetun rakennuksen ympärillä aiheuttaa paaluille lisäkuormitusta negatiivisen vaippahankauksen johdosta. Negatiivisen vaippahankauksen syntymiseen riittää usein pieni suhteellinen muodonmuutos. Tästä aiheutuvat vauriot vanhoille rakennuksille ovat kuitenkin hyvin harvinaisia. Tavallisesti paalut vaurioituvat silloin, jos pohjaveden alenemisen takia on painuneita piha-alueita korotettu. Lisääntynyt painuminen on työntänyt maamassoja paaluja vastaan ja tällöin ne ovat murtuneet. Suotuisissa oloissa puuperustukset säilyvät vedenpinnan alapuolella erittäin kauan. Rakennusvaiheessa puuperustukset pyrittiin sijoittamaan noin 0,5 metriä alimman orsivedenpinnan alapuolelle. Nykyään ne ovat monessa paikassa jo vedenpinnan yläpuolella, joten se antaa lahoamiselle erittäin hyvät edellytykset. Lahoamisen voi aiheuttaa lahottajasienet, kuten katkojalahottajasienet sekä valko- ja ruskolahottajat.
4 Katkojalahottajasieniä voidaan pitää merkittävimpänä puun hajottajina, niiden toiminta perustuu selluloosan ja polysakkaridien hajottamiseen entsyymin avulla. Lahoaminen pienentää ensisijaisesti puun taivutusvetolujuutta. Valkoja ruskohajottajien toiminta perustuu selluloosan ja ligniinin hajottamiseen. Valkolahottajan hajottama puuaines on kiinteän sekä sitkeän tuntuista kun ruskohajottajan lahottaa puun pintaosaa muodostaen ruudullisen verkon. Tällöin lahoaminen puu menettää sekä puristus- että taivutusvetolujuutensa. Aikaisemmin yleisenä käsityksenä pidettiin sitä, että puun lahoaminen hapettomassa tilassa on mahdotonta mutta se on tieto virheellistä. Hapettomassa tilassa lahoaminen on vain hitaampaa kuin hapellisessa tilassa. Tutkimuksissa on havaittu, että paaluissa, jotka ovat todistettavasti olleet pohjaveden alla, on havaittu lahoamismerkkejä. Typpeä on pidetty lahoamista hidastavana tekijänä. Kuitenkin on todettu, että helposti liukenevat typpiyhdisteet siirtyvät kuivuvassa puussa ulkopintaa kohti, ja luovat edellytykset lahoamiselle. Syy miksi osittain lahonneet paalut kuitenkin vielä kantavat rakennusta on se, että puupaalut ovat olleet reilusti ylimitoitettuja. Jatketuissa paaluissa varmuuskertoimet ovat todennäköisesti olleet pienemmät ja siksi perustusrakenne, jossa on jatkettuja puupaaluja, vaurioituu helpommin lahoamisen yhteydessä. /9, s. 21 25./ 2.3 Routa Routimisella tarkoitetaan ilmiötä, jossa maakerroksen jäätyessä sen tilavuus kasvaa. Routimista ilmenee kun: maalaji on routivaa maan lämpötila laskee alle 0 C:n vesi pääsee kulkemaan jäätymisrintamaan routapainetta suurempaa vastapainetta ei ole maassa Roudan aiheuttamat haitat ilmenevät lähinnä matalaan perustetuissa rakenteissa, routivilla mailla. Rakennusvaiheessa maan jäätyminen voi vahingoittaa myös syvälle perustettuja rakennuksia. Routiminen voi nostaa perustuksia, ja roudan sulaessa perustukset voivat painua ennalleen. Näin ei kuitenkaan aina tapahdu. Routa vaikuttaa kaikkiin perustusrakenteisiin. Paalu- ja
5 pilariperustukset kestävät roudan vaikutukset heikommin kuin jäykät perusmuurit. /9, s. 25 26./ 2.4 Tärinä Yleisimpiä tärinä lähteitä ovat liikenne, louhinta-, paalutus- sekä tiivistämistyöt. Tärinän aiheuttamat vauriot rakenteissa, voivat johtua rakenteen venymästä, repeämästä tai taipumasta. Maan tärinät käsitetään maanpinnan aaltoliikkeeksi, jonka aiheuttaa seisminen aaltojen eteneminen. Liikennetärinän heilahdusnopeudet ovat yleensä pieniä. Kadunpinnan epätasaisuudet vaikuttavat tärinäaallon heilahdusnopeuteen. Esimerkiksi nupukivikadulla heilahdusnopeudet olivat yli 3-kertaiset asfaltoituun katuun verrattuna. Suomessa ei ole yleisesti määritetty jatkuvan tärinän heilahdusnopeuden raja-arvoa. Esimerkiksi Helsingin keskustassa mitatun liikennetärinän ei tulisi aiheuttaa suoranaisia vaurioita rakennuksille. On kuitenkin mahdollista, että jatkuva tärinä voi laukaista jännityksiä, joita esimerkiksi epätasainen painumin on aiheuttanut. Paalutustärinä on matalajaksoista aaltoliikettä liikennetärinän tavoin. Louhinta- ja paalutustärinä aiheuttavat heijastuneen tai taittuneen tärinäaallon, joka voi aiheuttaa rakennuksissa resonanssi-ilmiön. Louhintatyölle on asetettu räjäytystärinän ohjeelliset tärinäarvot, joiden ei tulisi aiheuttaa rakenteissa vaurioita. /9, s. 28 31./ 2.5 Rakennustoiminta lähiympäristössä Kaivannon teko vanhan rakennuksen viereen voi vaurioittaa perustuksia monella tavalla. Pohjaveden pumppauksen sekä louhinta- ja paalutustärinän lisäksi vaurioita voi aiheutua itse kaivutyöstä. Yleensä kaivantojen sortumiset vaurioittavat vakavasti ympäristön rakenteita. Kaivuvaiheessa kaivannon tukiseinät voivat pettää, ennen kuin riittävät ankkuroinnit on asennettu. Yleensä naapurirakennuksen perustusvauriot kaivutöiden yhteydessä johtuvat puutteellisista pohjatutkimuksista, suunnittelu- tai rakennusvirheistä. Usein viereisen tontin paalutustyö on vaurioittanut olemassa olevia rakenteita. Tärinävaikutusten lisäksi maan sivusiirtyminen on haitallista. Kokeissa on todettu saven voimakasta sivusiirtymää, siirtynyt savimäärä on vastaa yleen-
6 sä paalun tilavuutta. Paalun lyönnin aikaiset siirtymät ovat yleensä suurempia kuin lopullinen pysyvä siirtymä. Naapurirakennuksen vaurioitumisriski onkin suurin juuri paalun lyönnin aikana. Rakennuksia on perustettu usein täytemaalle. Epäsuotuisissa olosuhteissa täytemaiden siirtyminen aiheuttaa vaurioita rakennusten paaluperustuksissa. Paaluperustukset voivat menettää kallistuessaan ensin kantavuuttaan ja saattavat lopulta katketa kokonaan. Rakennusten siirtymät aiheutuvat epätasaisesta painumisesta. Epätasaisesti painunut rakennus saattaa aiheuttaa myös vaakasiirtymiä viereiselle rakennukselle. /9, s. 32 35./ 2.6 Rakennemuutokset Perusparannuksen yhteydessä usein syntyy tilanteita, jossa perustuksille tulevat kuormat muuttuvat, esimerkiksi lisäkerroksen rakentaminen tai kantavien rakenneosien muuttaminen. Näistä muutoksista johtuen lisäkuormat usein jakaantuvat epätasaisesti rakennuksen eri osille ja näin aiheuttavat painuvilla maapohjilla epätasaista painumista. Rakennemuutoksista johtuvat perustusvauriot ovatkin usein suunnittelu- ja rakennusvirheitä, kun asioita ei ole ajoissa huomioitu. /9, s. 35 36./
7 3 PERUSTUSTEN KORJAUS- JA VAHVISTAMISMENETELMIÄ Perustusten korjauksessa rakennuksen perustuksia voidaan ulottaa syvemmälle. Tämä tulee kyseeseen kohteissa, joissa maaperän kantokykyä alkuperäisellä perustamistasolla epäillään, kun kuormitusta maapohjalla lisätään. Myös kohteissa, joissa kellarin lattiataso alennetaan perustusten alapuolelle tai rakennuksen viereen tehdään perustustasoa alemmaksi ulottuva kaivanto, tällöin käytetään perustusten syventämistä. Menetelmän käyttö edellyttää, kantavan maakerroksen oloa kohtuullisella syvyydellä. Tällöin kaivaminen suoritetaan vaiheittain siten, että paikallisia epätasaisia painumia ei synny, eikä maapohja löyhdy. /9, s. 52 72./ Puupaalut, jotka ovat orsivedenalenemisen takia lahonneet yläpäistään, voidaan katkaista ja korvata teräskiskolla. Ennen korjauksia on tehtävä huolellinen pohja- sekä orsiveden tarkkailu. Lisäksi on selvitettävä lähiympäristön rakennustoimenpiteet, jotka voivat vaikuttaa orsiveden pinnantasoon. Paalujen katkaisutason olisi oltava vähintään 0,5 m matalimman orsivedenpinnan alapuolella. Paalut katkaistaan yksitellen sekä esijännitetään, jonka jälkeen teräskisko ympäröidään betonilla. Lopuksi paalujen välit täytetään savella. Haittana van on menetelmän tilapäinen luonne. Monesti perustuksia on jouduttu vahvistamaan uudestaan, kun orsivesi on laskenut uudestaan. /9, s. 52 72./ Perustuksia voidaan vahvistaa käyttäen erilaisia paalutusmenetelmiä vaurioista ja vanhasta perustamista sekä perustamisolosuhteista riippuen. Paalutusmenetelmä valitaan aina kulloiseenkin tilanteeseen sopivaksi. /9, s. 52 72./ Perustuksia voidaan myös routasuojata, koska routanousu voi ajan myötä vaurioittaa routivan maan varaan perustettuja rakennuksia. Vaurioita voidaan pienentää sekä estää routasuojalla. Routasuojaukseen vaikuttavat mm.: maalaji ilmasto perustamistapa, perustuksen rakenne perustamissyvyys routasuojauksen rakenne.
8 Eristyksen paksuus määräytyy lämmön vastuksesta sekä eristeen lämmönjohtavuudesta. /9, s. 52 72./ Rakennuspohjan kuivatuksella voidaan myös pienentää routimista. Kuivatustason määräämisessä on otettava huomioon ympäröivien rakennusten mahdolliset puuperustusten yläpinnantaso. Parhaiten rakennuspohjan kuivatus onnistuu salaojituksen avulla. /9, s. 52 72./ Rakennusten peruskorjaaminen on yleensä huomattavan kallis toimenpide ja siksi päätös peruskorjauksen tekemisestä on yleensä vaikea. päätös peruskorjauksesta on aina tapauskohtainen ja siihen vaikuttavat ensisijaisesti korjauksen tekniset edellytykset. Perustusten korjaamiseen ja vahvistamiseen olisi ryhdyttävä mahdollisimman varhaisessa vaiheessa ennen kuin perustusten painuminen aiheuttaa merkittäviä vaurioita ylärakenteiden kantaviin rakenteisiin. Ennakoivilla toimenpiteillä, esimerkiksi puuperustusten kuntotutkimuksilla, pohjavedenpinnan tarkkailulla ja painumaseurannalla, perustusten vahvistamistarve voidaan määrittää. /9, s. 82 83./
9 4 SKANSKA MINI PILE JA MUUT PAALUT 4.1 Puupaalujen korjauksessa käytettäviä paalutustyyppejä 4.1.1 Yleistä Suurin osa puupaalujenperustusten korjauksista suoritetaan vielä nykyään teräspaalutuksena. Teräspaalutus voidaan suorittaa usealla tavalla: lyömällä, poraamalla, puristamalla, täryttämällä tai ruuvaamalla. Vaihtoehtoisesti puupaaluperustusten vahvistaminen voidaan suorittaa myös suihkuvahvistamisena eli suihkuinjektointina. Seuraavassa käsitellään näistä yleisimmin Suomessa käytettyjä menetelmiä eli porapaalua, lyöntipaalua, puristuspaalua sekä suihkuinjektointia. /3./ 4.1.2 Porapaalu Porapaaluja käytetään jatkuvasti perustusten vahvistamisen yhteydessä. Porapaalun etuna on, että se onnistuu, vaikka paalutusalueella olisikin epämääräisiä vanhoja perustusratkaisuja. Perustuksia vahvistettaessa porapaalu tunkeutuu helposti kivienkin läpi ja jopa vanhojen puupaalujen läpi käytettäessä erikoisteriä. /1, s.77/ /2, s. 150./ Porapaaluja ovat sydänteräspaalu porattava teräsputkipaalu, jossa porausputki jää rakenteen osaksi porattava teräsputkipaalu, jossa porausputki nostetaan ylös läpi-injektoitava porapaalu. /1, s. 75./ Porapaalu tehdään poraamalla porauskalustolla suojaputkea käyttäen reikä, johon paalu lasketaan, käyttäen jatkoksina täyshitsiä tai hitsattua holkkijatkosta. /2, s. 150./ Porapaaluilla itsellään voi jo olla jäykkyys, joka sallii niiden väliaikaisen käytön työnaikaisina pilareina. Monet porapaalutuskoneet mahtuvat toimimaan matalissakin tiloissa./1, s. 77./
10 Porapaalutekniikkaa on jatkuvasti kehitetty, erityisesti on parannettu kruunuja, poraustekniikkaa ja paalujen jatkamista hitsaamalla. Porapaalu on kustannuksiltaan kilpailukykyinen varsinkin suurilla kuormilla. Haittoina voidaan pitää melua sekä roiskuvaa kuravettä. /3./ Kuva 1. Sydänteräspaalun työvaiheet sekä paalun poikkileikkaus. /6./
11 Kuva 2. Porattavan teräsputkipaalun työvaiheet, jossa porausputki jää rakenteen osaksi sekä paalun raudoitusvaihtoehtoja. /6./ Kuva 3. Porattavan teräsputkipaalun työvaiheet, jossa porausputki nostetaan ylös sekä paalun raudoitusvaihtoehtoja. /6./
12 Kuva 4. Läpi-injektoitavan porapaalun työvaiheet. Kallioon tukeutuva paalu (A) ja maakerrokseen tukeutuva paalu (B) sekä läpi-injektoitavan paalun poikkileikkaus. /6./ 4.1.3 Lyöntipaalutus Teräspaalu lyömällä on ollut pitkään yleisin paalutustapa, koska se on halpa menetelmä ja paaluja on ollut helppo jatkaa. Teräsputkipaalu lyödään joko pienellä järkäleellä tai tavallisimmin kevyellä paineilmavasaralla pehmeikön läpi. Paalut on varustettu kiinni kiilautuvilla muhvijatkoksilla. /2, s. 145 147./ /3./ Haittoina voidaan pitää tärinää ja melua, jonka paalutustapa aiheuttaa. Lisäksi kalustoa on vaikea kuljettaa ahtaissa tiloissa. Vanhoihin puupaaluihin tai kiviin törmätessään lyötävä paalu voi taipua, jolloin se lisäksi kasvattaa paaluhukkaa. Huonokuntoiset rakennukset voivat vaurioitua lyöntipaalutuksen seurauksena lisää. Lyöntipaalujen kantavuus on lisäksi suhteellisen alhainen. Lyöntipaalutus aiheuttaa saven voimakasta sivusiirtymää, syrjäytymistä, siirtynyt savimäärä on vastaa yleensä paalun tilavuutta. Paalun lyönnin aikaiset siirtymät ovat yleensä suurempia kuin lopullinen pysyvä siirtymä. Siirtymät voivat aiheuttaa viereisissä rakennuksissa siirtymiä tai painumia. /3./
13 4.1.4 Puristuspaalu Puristuspaalutusta voidaan käyttää ahtaissa ja matalissa tiloissa, joihin ei muulla paalutuskalustolla päästä. Vaikeimman osuuden puristuspaalutusta käytettäessä muodostaa usein työskentelytilan kaivaminen perustusten alle tai sisään. /2, s. 143 145./ Puristuspaalun rakenne on kolmiosainen ja paalu koostuu kärkipaalusta, varsielementistä ja paaluhatusta. Varsinainen paalutustyö tapahtuu puristamalla hydraulisesti paaluelementtejä maahan käyttäen rakenteen omaa painoa vastapainona. Kärkielementin saavutettua kantavan kerroksen, asennetaan paaluhattu ja suoritetaan loppupuristus, joka samalla on pienimuotoinen koekuormitus. /2, s. 145./ Puristuspaalutekniikka on tärinätöntä ja hiljaista ja näin ollen sopii myös huonokuntoisille rakennuksille. Vanhaan rakenteeseen reikä tehdään timanttikairalla, jonka jälkeen paalu puristetaan paikalleen. Lisäksi paalun jatkaminen on helppoa. Tunkkaustekniikka on kehittynyt jatkuvasti lisää ja on nykyään jo aika nopeaa ja lisäksi kalustoa on helppo liikutella paikasta toiseen. /3./ Puristuspaalun ongelma on sen vaatima vastapainorakenne. Ja pienten rakennusten kanssa tätä tekniikkaa ei voidakaan käyttää, sillä asennus edellyttää ylikuormitusta, jota ei keveissä rakennuksissa ole. Puristuspaalu on myös arka dynaamiselle kuormitukselle. /3./ Puristuspaalu on suljettuna maata syrjäyttävä paalu ja syrjäytyvä savimäärä vastaavat yleensä paalun tilavuutta. Maan syrjäytyminen voi aiheuttaa viereisissä rakennuksissa siirtymiä tai painumia. Avoimena puristuspaalu on maata syrjäyttämätön paalu, mikäli tulppaantumista ei tapahdu. Avointa paalua käytetään yleensä vain kitkapaaluna. /7./
14 Kuva 5. Puristuspaaluvaihtoehdot a) suljettu paalu, b) vaippainjektoitu suljettu paalu, c) avoin paalu, d) tulppaantunut avoin paalu, e) kärki-injektoitu avoin paalu, f) vaippainjektoitu avoin paalu, g) kärki- ja vaippa-injektoitu avoin paalu. /7./ 4.1.5 Suihkuinjektointi Suihkuinjektointia käytetään pääasiassa lujittamaan löyhää maata ja tiivistämään vettä läpäiseviä maita. Tämän takia sitä käytetään myös vanhojen rakennusten saneerauksissa ja perustusten vahvistamisessa. /1, s. 79./ Suihkuinjektoinnissa maahan porataan erikoisporatanko aina haluttuun syvyyteen saakka. Tangon kärkeen sijoitettujen korkeapainesuuttimien avulla voidaan pieniläpimittaisella, korkeapaineisella suihkulla leikata ja osittain syrjäyttää maata, johon suihku on suunnattu ja sementtisuspensio sekoittuu. Pyörittämällä ja poratankoa hitaasti nostamalla saadaan maahan syntymään pyöreä maabetonipilari. Voidaan menetellä myös niin, että suihkutetaan erikseen vesisuihkua, jota ympäröidään ilmasuihkulla ja sen jäljessä suihkutetaan erikseen sementtisuspensio. Heti valmistuttuaan paalu on vailla lujuutta, mutta kovetettuaan matalalujuuksista betonia. /1, s. 78 79./ Suihkuinjektointia voidaan käyttää vaihtoehtona teräspaaluille. Sitä voidaan käyttää paalutukseen kohteissa, joissa puupaalut ovat lahonneet eikä savikerros ole 15 metriä paksumpi. Suihkuinjektoinnin etuina on, että siitä ei aiheudu melua eikä tärinää sekä tarvittava kalusto mahtuu pieniinkin tiloihin. Suihkuinjektoinnissa paalu tehdään suoraan kantavan anturan alle, eikä eril-
15 lisiä kuormansiirtorakenteita tarvita. Ympäristönkin painumat ovat näin ollen vähäisiä. /3./ Kuva 6. Suihkuinjektoinnin työvaiheet. /8./ 4.2 Skanska Mini Pile Skanska Mini Pile on Alankomaissa yleisesti käytetty paalutusmuoto, jossa sitä on käytetty jo monta vuosikymmentä. Alankomaissa paalua käytetään lähinnä kitkapaaluna, mikä johtuu erilaisista maalajeista, kuin meillä Suomessa. Suomessa Skanska Mini Pilea käytetään tukipaaluna, joka lyödään kallioon tai tiiviiseen pohjakerrokseen, kuten moreeniin asti. Skanska Mini Pile on rakenteeltaan teräskuorinen teräsbetonipaalu. Paalun teräskuori on teräsputki, joka toimii pääasiallisesti asennusmuottina mutta jää paalun pysyväksi rakenteeksi. Skanska Mini Pilen upotus tapahtuu pienemmällä paalutuskalustolla kuin esimerkiksi teräsbetonipaalun upotus. Tämä johtuu siitä, että Skanska Mini Pilen upotusvaiheessa lyödään suoraan paalun kärkeen, eikä paalun yläpäähän kuten on totuttu lyöntipaalutuksen tapahtuvan. Vesitiiveyden säilyttämiseksi paalun jatkaminen tapahtuu hitsaamalla. Paalut raudoitetaan ainoastaan yläosastaan ja paalun suoruus määrää raudoituspituuden. Paalun valu suoritetaan kuivavaluna ja betonina käytetään K40 betonia. Korroosiovähennyksen jälkeen paalu mitoitetaan liittorakenteena. Skanska Mini Pilen etuina voidaan pitää, että paalutustyössä tarvittava paalutuskalusto mahtuu pieneen tilaan, kuten asuinrakennusten kellaritiloihin. Paalun teräskuori on teräsputki, jota jatketaan työmaalla hitsaamalla eli paa-
16 lun kuoreen käytettävät teräsputket tulevat määrämittaisina paalutuksen osakomponentteina työmaalle. Paalun upotus tapahtuu vaijeritoimisella 500 kg:n pudotusjärkäleellä, jolla isketään suoraan paalun kärkeen, toisin kuin normaalisti esimerkiksi lyöntipaalutuksessa, jossa lyönti tapahtuu paalun yläpäähän. Iskettäessä suoraan paalun kärkeen ei tarvita niin paljoa tilaa paalutuskoneen yläpuolella, kuin normaalisti paalutustyössä tarvitaan. Kuva 7. Paalutuskoneen 500 kg pudotusjärkäle teräsputken sisällä. /15/
17 Itse paalutustyö on huomattavasti nopeampaa kuin esimerkiksi samanpituisen puristuspaalun lyöntityö. Esimerkkinä voidaan mainita, että Skanska Mini Pilen lyönti moreeniin noin 26 metriin asti kesti noin yhden tunnin kuin sama työ puristuspaalulla kesti noin kahdeksan tuntia. Paalutyöstä aiheutuvat haitat ympäristölle ovat vähäisempiä kuin muissa paalutustavoissa. Paalutuksesta aiheutuva melu on huomattavasti pienempää kuin paalutuksessa yleensä. Paalutustyöstä aiheutuvat tärinät ympäröivään maaperään ovat paljon pienempiä kuin esimerkiksi lyöntipaalutuksessa. Liikenne aiheuttaakin enemmän tärinää ympäröivään maaperään kuin mitä paalutustyö aiheuttaa. Paalutustyö ei aiheuta ympäröivien maamassojen nousuja vaan maamassat pysyvät hyvin paikoillaan. Lisäksi paalutustyössä ei tarvitse suorittaa niin paljoa laadunvalvontaa kuin puristuspaalutuksessa, myös tämä nopeuttaa työtä. Laadunvalvontaa suoritetaan mutta se on helpompaa. Skanska Mini Pilea voidaan käyttää myös korjauskohteissa, joissa rakennuksen antura on kapea tai sitä ei ole ollenkaan. Tällöin kuormansiirtorakenteet voidaan tehdä kuormasiirtolevyillä. Kuormansiirtorakenteet ovat myös edullisempia kuin esimerkiksi puristuspaalutuksen yhteydessä. /16./
18 Kuva 8. Kuormansiirtolevy. /13./ Kuva 9. Kuormansiirtolevyn asennus anturan päälle. /13./
Kuva 10. Skanska Mini Pilen kuormansiirtorakenne vanhaan väliseinään. /13./ 19
Kuva 11. Leikkaus a-a kuormansiirtorakenteesta. /13./ 20
21 5 PAALUPERUSTUKSEN SUUNNITTELU 5.1 Yleistä paaluperustusten suunnittelusta Paaluperustus on suunniteltava siten, että se kestää sekä rakenteesta siirtyvät kuormat, että maan aiheuttamat kuormitukset. Lisäksi on otettava huomioon perustusten mahdollinen siirtyminen, jonka on pysyttävä rakenteiden sietämissä rajoissa. Paaluperustuksen suunnittelu edellyttää paalumateriaalin lujuuden, maa- ja kalliopohjan kantokyvyn, paalujen kantavuuden sekä hyväksyttävien paalutustoleranssien selvittämistä. Sopiva paalutustyyppi valitaan ylärakenteiden vaatimusten sekä pohjasuhteiden mukaan. Paalutustyö tehdään hyväksyttyjen paalupiirustusten ja työselitysten mukaan. Käytettäessä erikoispaaluja on jokaisessa tapauksessa paalujen rakenteesta ja laatuvaatimuksista sekä mitoituksessa päätettävä paalujen kantavuudesta erikseen. /11, s. 51 52/ /10, s. 38./ 5.2 Paalun kantavuus sekä kuormitukset Paalun kantavuus määräytyy joko rakenteellisen tai geoteknisen kantavuuden mukaan. Näistä geotekninen kantavuus on usein pienempi, kun kantavuus esitetään keskeisenä puristusjännityksenä. Teräspaaluilla myös nurjahdusvaara on aina tarkasteltava ja teräspaalujen suoruuteen on aina kiinnitettävä erityistä huomiota. Paalujen kantavuus on varmistettava asennuksen jälkeen dynaamisella koekuormituksella tai staattisella koekuormituksella. /11, s. 52 53./ Paaluun vaikuttavat kuormitukset ovat: pystykuormitus vaakakuormitus ja momenttikuormitus sivukuormitus negatiivinen vaippahankaus /12, s. 46 47./ Paaluihin kohdistuu aina myös taivutusrasituksia esimerkiksi kuormien epäkeskisyydestä, toispuoleisesta maanpaineesta sekä maan vaakasiirtymistä
22 johtuen. Taivutusta paaluun aiheuttaa myös paalun sivuvastuksen hyväksikäyttäminen ja pakkovoimien aiheuttamat vaakakuormat. Paalujen kuormituksessa on aina otettava huomioon myös paalua ympäröivän maapohjan painumisesta aiheutuva negatiivinen vaippavastus. Teräspaalujen rakenteellista kantavuutta laskettaessa on pysyvien rakenteiden osalta otettava huomioon korroosion osuus paalun poikkileikkauspinta-alasta. Jatkettaessa teräspaaluja hitsaamalla, on hitsausjatkoksella oltava sama lyönninkestävyys ja puristuslujuus kuin jatkamattomalla paalulla. /11, s. 52 53./ Paalun kantavuuden tarkastus voidaan tehdä dynaamisen paalutuskaavan avulla lasketun loppulyöntiehdon perusteella. Paalun loppulyönnit käsittävät vähintään kolme kymmenen iskun sarjaa ja jokaisen sarjan pysyvän painuman on oltava pienempi kuin laskettu loppulyöntipainuma iskua kohti. /10, s. 38 40./ 5.3 Geotekninen kantavuus Skanska Mini Pileä käytetään Suomessa tukipaaluna. Tällöin paalu siirtää pääosan kuormastaan kärjen välityksellä kallioon tai tiiviiseen maakerrokseen. Osa kuormasta voi siirtyä myös vaippakitkan avulla tukikerrokseen. /4./ Kuva 12. a) Kallioon tukeutuvan tukipaalun toimintatapa ja b) maahan tukeutuvan tukipaalun toimintatapa. /4./
23 Paalun geotekninen kantavuus määritetään niin, että paalua tukeva maapohja eri kuormitustapauksissa kestää sille tulevat kuormitukset. Geotekninen kantavuus koostuu paalun kärjen kantavuudesta, kärkivastuksesta sekä vaipan kantavuudesta, vaippavastuksesta. Paalun geotekninen kantavuus voidaan määrittää usealla tavalla: iskuaaltomittaukset dynaamiset koekuormitukset staattiset koekuormitukset. /4/ /12, s. 50./ Skanska Mini Pilen geotekninen kantavuus on laskettu dynaamisen työn avulla. Tavoitteena on paaluille vaadittu 390 kn tai 250 kn sallittu kantavuus. Murtokuorman tavoitteena on 780 kn tai 500 kn. Työsuunnitteluvaiheessa Skanska Mini Pilestä on tehty mitoitussuunnitelmat kantavuuden ja murtokuorman suhteen sekä paalun puristuskestävyyden, nurjahduksen mitoitus. 5.4 Loppulyönnit Paalun loppulyönnit voidaan aloittaa siinä vaiheessa, kun paalun kärki on tunkeutunut lähelle pohjatutkimusten perusteella suunniteltua tavoitetasoa. Ja paalun painuma selvästi vähenee. Paalun upotuksessa ei saa pitää taukoa ennen loppulyöntien aloitusta ja loppulyönnit on lyötävä keskeytyksettä. Loppulyöntisarjojen lukumäärä määritetään olosuhteiden mukaan. Yleensä lyödään 3-5 kymmenen lyönnin sarjaa. Paalun painumisen pienetessä hitaasti lyödään useampia sarjoja loppulyöntejä. Kun paalun painuminen pienenee nopeasti lyödään vähemmän loppulyöntisarjoja. Koepaalutusvaiheessa on hyödyllistä lyödä paaluja eri loppulyöntiehdoilla. Tällöin voidaan valita riittävä loppulyöntiehto, jota käyttäen sitten tehdään varsinainen paalutustyö. /12, s. 81 83./
24 6 SKANSKA MINI PILE, PAALUTUS 6.1 Paalutusprosessi Paalutuksen aluksi teräsputki varustetaan kalliokärjellä. Kalliokärki hitsataan kiinni paalun varteen. Lisäksi paalun kärkeen asennetaan iskutyyny. Paalun upotus tapahtuu vaijeritoimisella 500 kg pudotusjärkäleellä. Järkäleellä isketään suoraan paalun kärkeen eli pudotusjärkäle on ns. sisäinen järkäle. Upotusvaiheessa järkäleen pudotuskorkeus on 1,5 m. Kuva 13. Paalun upotus. /15/ Paalua aletaan upottaa saveen aina yhden teräsputken pituuden verran kerrallaan. Teräsputkesta jätetään esiin maanpinnan yläpuolelle sen verran, että seuraavan jatkosholkin eli teräsputken hitsaus kiinni jo upotettuun holkkiin
25 onnistuu. Hitsauksen ajaksi järkäle nostetaan pois teräsputkesta. Kun hitsaus on suoritettu ja on varmistettu, että hitsattu jatkosholkki on suorassa, jatketaan paalun upotusta. Paalua jatketaan koko upotuksen ajan hitsaamalla jatkosholkkeja kiinni paaluun, kunnes paalu saavuttaa laskennallisen loppulyöntivaatimuksen. Kuva 14. Paalun jatkaminen hitsaamalla. /15./ Paalun upotusvaiheessa seurataan järkäleen pudotuskorkeutta ja paalun painumaa järkäleen iskiessä paalun kärkeen. Loppulyöntikriteerien täytyttyä aloitetaan tarkastustoimet. Laskennallisen tiukkuuden saavutettua paalu on saavuttanut geoteknisen kantavuuden. Kantavuus tarkistetaan koepaaluilla, jolloin myös loppulyöntikriteeriä voidaan muokata. Koepaalutus tarkoitti paalutuksen aikana 10 15 koepaalua, jotka upotettiin laskennalliseen tiukkuuteen loppulyöntiehdolla 20 mm/ 10 iskua.
26 Kuva 15. Periaatekuva paalunupotuksesta. Paalun upotuksen jälkeen tarkastetaan valotestillä paalun suoruus ja paalun ollessa suora on raudoituksen pituus neljä metriä paalun yläosassa. Mikäli paalu ei ole suora, raudoituksen pituutta kasvatetaan, jotta paalun kantavuus säilyy suunniteltuna. Paalun valu suoritetaan kuivavaluna ja betonina käytetään K40 betonia. 6.2 Paalutuskalusto Paalutustyössä kalustona käytettiin Skanska Tekra Oy:n vuokraamaa paalutuskonetta Vermeer HL1200S. Paalutuskone on suunniteltu käytettäväksi erittäin pienissä ja ahtaissa olosuhteissa, kuten kellaritiloissa ja se eroaakin muista paalutuskoneista juuri kokonsa vuoksi. Paalutuskone on rakennettu pienelle rungolle, jonka pituus on vain 1450 mm. Paalutuskone liikkuu telojen avulla, jonka lisäksi se on varustettu 20 cm leveillä kumitassuilla. Koneessa on myös säädettävä raideleveys mitta-alueella 700 mm 1000 mm. Paalutuskoneessa on kolme hydraulisesti toimivaa vakaajaa, joista kaksi ovat koneen etuosassa ja näitä kahta voidaan säätää manuaalisesti kolmeen eri asemaan. Koneen vinssi on varustettu vaijerilla, jonka paksuus on Ø 12 mm ja pituus 35 m. Vinssi on suunniteltu aina 1200 kg:n asti ja sen maksimi nostonopeus on 80m/min. Vinssin käyttöasento on muutettavissa nostoasennosta vapaa pudotus asentoon, paalutusta varten. Nostonopeutta voidaan säädellä mikä auttaa esimerkiksi uuden paalun aloitusta, kun lyhyet iskut paaluun ovat tar-
27 peellisia. Kone on varustettu ohjelmoitavalla logiikalla, johon tarvitsee syöttää vain tiedot pudotusjärkäleen painosta ja pudotuskorkeudesta ja järjestelmä laskee paalun uppoamissyvyyden jokaisen iskun aikana. Paalutuskoneen hydrauliikan vaatima energia saadaan erillisestä moottorista. Paalutuskoneen kokonaispaino on noin 1500 kg, riippuen lisävarustuksesta ja hydrauliyksikön kokonaispaino on noin 1000 kg. /5./ Kuva 16. Paalutuskone Vermeer HL1200S. /15./
28 6.3 Laadunvalvonta Laadunvalvontaa tehtiin niin paalun materiaalille, paalutustyölle, paalulle sekä ennen betonointia että betonoinnin jälkeen suoritettavilla kokeilla ja koekuormituksilla. Paalujen suoruutta havainnointiin aluksi ns. valotestillä. Paaluille suoritetaan dynaamisia koekuormituksia ja ehjyysmittauksia. Laaduntarkkailua tarvitsee kuitenkin tehdä vähemmän ja se on helpompaa kuin esimerkiksi puristuspaalutuksen yhteydessä. /16./ Kaikista paaluista pidettiin paalutustyön aikana paalutuspöytäkirjaa, johon merkittiin seuraavat asiat: paalun numero paalutuspäivämäärä paaluelementin pituus muut havainnot, esteet loppulyönnit suoruustarkastus, ns. valotesti inklinometrimittaus päivämäärä koekuormitus päivämäärä paalun betonointi päivämäärä paalun raudoitus päivämäärä ja raudoituksen pituus. Materiaalit tarkastetaan vastaanottovaiheessa työmaalla ja kaikesta saapuvasta materiaalista materiaalitoimittaja toimittaa laatutodistukset. Kaikki materiaaleista toimitetut laatutodistukset säilytetään ja arkistoidaan työmaalla. /16./ Paalutustyön aikana tarkkaillaan koko ajan paalun suoruutta. Hitsausvaiheessa tarkastetaan ennen hitsaamista jokaisen jatkosholkin pään suoruus silmämääräisesti, että holkki on varmasti katkaistu suoraksi. Lisäksi tarkastetaan holkin pystysuoruus sekä silmämääräisesti että vatupassilla ennen sen hitsaamista mutta myös kiinni hitsauksen jälkeen tarkastetaan jatkosholkin suoruus. Kun paalu on upotettu laskennalliseen tiukkuuteen, tarkastetaan jokainen paalu valotestillä ja todetaan paalun suoruus tai mahdollinen epäsuoruus. Paalu on suora, mikäli valotestissä valo näkyy paalun pohjalta, jos valotestissä ei nähdä valoa paalun pohjalla, suoritetaan paalulle inklinometrimittaus, jolla tarkastetaan paalun kaarevuussäde. /16./
29 Paalutustyönjohtajan on oltava pätevä ja kokenut henkilö ja hänellä on laatuvastuu seuraavista asioista: työ tehdään työkohtaisten laatuvaatimusten ja työselitysten sekä ohjeiden mukaisesti paalutus- ja laatusuunnitelma sekä muut työsuunnitelmat laaditaan ja tarkastetaan ajallaan paalutuspöytäkirjat laaditaan viipymättä ja toimitetaan valvojalle ja suunnittelijalle tarkastettavaksi valvontamittaukset suoritetaan ja tarpeelliset asiakirjat laaditaan suunnittelijalle ilmoitetaan työmaalla tapahtuvista poikkeuksellisista tilanteista ja olosuhteista erikoistöiden tekijä, kuten hitsaaja, on suorittanut pätevyyskokeen. /10, s. 49./ 6.4 Paalujen koestus Paalujen koekuormituksia voidaan käyttää mitoitukseen, työmenetelmien- ja laaduntarkastamiseen. Tällöin voidaan selvittää mm. paalujen ehjyyttä. Koekuormitukset voivat olla staattisia koekuormituksia tai dynaamisia koekuormituksia. Dynaamisilla koekuormituksilla voidaan määrittää paalutuksen loppulyöntiehto ja staattisia koekuormituksia voidaan käyttää kun halutaan selvittää paalun pitkäaikaista käyttäytymistä. Staattisen koekuormituksen on sisällettävä vähintään kuusi kuormitusporrasta. Painumanopeutta on mitattava vähintään kolmella kellolla ja painumanopeuden on oltava alle 0,25 mm/h ennen seuraavalle kuormitusportaalle siirtymistä. Vakionopeusmittauksessa nopeuden on oltava koko ajan vakio ja sen on oltava noin 0,1 mm/min koko kokeen ajan. Painumaa mitattaessa on mittalaitteen painumatarkkuuden oltava vähintään 0,1 mm ja mittalaitteet on kalibroitava vähintään kerran vuodessa. Staattiset koekuormitukset on aina tehtävä rakennuspaikan epäedullisimmissa pohjaolosuhteissa. Dynaamiset koekuormitukset voi suorittaa kokenut henkilö, joka tuntee tarkoin paalutustekniikan, maaperäolosuhteet ja iskuaaltoteorian. Dynaamiset koekuormitukset tulee suorittaa tarkoitukseen soveltuvalla laitteella. /10, s. 50 51./
Kuva 17. Paalun dynaaminen koekuormitus. /15./ 30
31 6.5 Laskelmat Skanska Mini Pilen mitoittavat laskelmat on esitetty jo työsuunnitelmassa. Työsuunnitelmassa on esitetty vaadittavat mitoitustekijät ja kuinka Skanska Mini Pile nämä täyttää. Skanska Mini Pilen geotekninen kantavuus on laskettu dynaamisen työn avulla ja tavoitteena paalulle on vaadittu 390 kn tai 250 kn kantavuus. Murtokuorman tavoitteena on 780 kn tai 500 kn. Paalun geoteknisessä kantavuuslaskelmassa on tarkasteltu paalua eri halkaisijoiden suhteen ja kolmella eri painumalla. Vertailussa käytetyt halkaisijat olivat 193 mm, 219 mm ja 273 mm. Painumiksi oli otettu 1 mm, 2 mm ja 4,5 mm. Näillä halkaisijoilla ja painumilla on vertailtu paalun kantavuutta. Laskelmissa järkäleen iskuenergia, pudotuskorkeus, hyötysuhde, paalun pituus, teräksen kimmomoduuli, betonin lujuus sekä maapohjan jousto pysyivät vakioina kaikissa laskelmissa. Halkaisijan ollessa 193 mm, on kantavuudeksi saatu 2 mm painumalla 790 kn ja painuman ollessa 4,5 mm on kantavuudeksi saatu samalla halkaisijalla 503 kn eli molemmilla painumilla paalu saavuttaa vaaditun kantavuuden. Geoteknisen kantavuuden tuloksista (Liite 1) käy ilmi, että paalun halkaisijan kasvaessa kasvaa myös paalun kantavuus. Mitä pienempi on paalun painuma, sitä suurempi on paalun geotekninen kantavuus. Paalun rakenteelliset murtokuormat on laskettu 250 kn ja 390 kn pystykuormituksilla. Paalun rakenteelliset murtokuormat on laskettu 193 mm halkaisijalla sekä teräksen paksuudella 3 mm, ja paalun pituudeksi on oletettu 20 m. Raudoituksen pituus 4 m paalun yläpäässä ja määrä sekä betonin materiaalitiedot ovat molemmissa laskelmissa vakiot. Laskelmissa on lisäksi otettu huomioon korroosion vaikutus laskettaessa rakenteellista murtokuormaa. Rakenteellista murtokuormaa laskettaessa pystykuormalla 390 kn, oletettiin korroosion olevan 3 mm. Tällä pystykuormalla rakenteellisen murtokuorman arvoksi saatiin 755 kn ja kimmoinen puristuma oli 9,6 mm. Pystykuormalla 250 kn oletettiin korroosioksi vaikutukseksi 2 mm. Näillä arvoilla rakenteellisen murtokuorman arvoksi saatiin 825 kn ja kimmoinen puristuma oli 5,7 mm. Murtokuormien laskentatulokset on esitetty taulukossa 1. Murtokuormien laskelmat ovat liitteessä 3.
32 Taulukko 1. Rakenteellisten murtokuormalaskelmien tulokset. Pystykuorma Korroosio Murtokuorma 250 kn 3 mm 825,9783 kn 390 kn 2 mm 755,6933 kn Teräspaaluilla myös nurjahdusvaara on aina tarkasteltava ja teräspaalujen suoruuteen on aina kiinnitettävä erityistä huomiota, koska paalut saattavat nurjahtaa riittävän sivutuen puuttuessa. Mitoitettaessa paaluja nurjahdusta vastaan oletetaan ne aina käyristyneiksi. Paalujen minimikäyryyssäde määräytyy valmistustoleranssien ja jatkoksen sallitun kulmamuutoksen perusteella. Paalun kestävyys saavutetaan, kun paalun rasitetuimman poikkileikkauksen rakenteellinen kapasiteetti ylittyy. Skanska Mini Pilestä on työsuunnitelmavaiheessa esitetty paalun kaarevuudesta johtuva nurjahdusmitoitus. Paalun kaarevuus saa suurimmillaan olla 1:100 eli pienin mahdollinen kaarevuussäde on R=100 m. Paalun nurjahtamiseen liittyen, on paalulle tehty puristuskestävyyden mitoitus, jossa esitetään poikkileikkauksen tyssäytymis- ja momenttikapasiteetti, paalun jäykkyys sekä paalun nurjahduskestävyys. Tämän jälkeen on laskettu poikkileikkauksen puristuskestävyys alkukäyrille paaluille. Nämä tarkastelut on tehty sekä paalun kaarevuussäteelle 100 m että 180 m. Paalun puristuskestävyyden mitoitus on tehty paalulle, jonka halkaisija on 193 mm ja paalun seinämäpaksuus 4 mm. Korroosiovähennykseksi on otettu 2,5 mm ja betonin lujuus oli 30 MN/m 2. Tavoite paalukuormalle oli 390 kn. Alkukaarevuussäteet olivat 100 m ja 180 m. Aluksi laskettiin poikkileikkauksen tyssäytymis- ja momenttikapasiteetti, jonka jälkeen laskettiin paalun jäykkyydet. Tämän jälkeen laskettiin nurjahduskestävyys suoralle paalulle, 100 m alkukäyrälle paalulle käytettiin savikerroksen paksuutena 3,5 m ja 180 m alkukäyrälle paalulle savikerroksen paksuutta 3,7 m. Lopuksi laskettiin poikkileikkauksen puristuskestävyys alkukäyrille paaluille. 100 m alkukäyrän paalun puristuskestävyys oli 334 kn ja 180 m alkukäyrälle paalulle 390 kn. Tuloksista pääteltiin, että paalun rakenteellinen kestävyys määrää paalun kapasiteetin. Tulokset on esitetty taulukossa 2. Laskelmat on esitetty liitteessä 4.
33 Taulukko 2. Paalun puristuskestävyyden mitoitustulokset. Alkukaarevuussäde Paalukuorma käyttörajatilassa 100 m 334,632 kn 180 m 390,066 kn
34 7 ESIMERKKIKOHDE 7.1 Yleistä esimerkkikohteesta Esimerkkikohteena oli Salon keskustassa Asemakatu 4:ssä sijaitseva asuinkerrostalo. Rakennus sijaitsee pohjaolosuhteiltaan vaativalla alueella. Rakennuksen lattiatason alla on ensiksi täyttömaata sekä savea. Täyttömaan alla on noin 20 metrin paksuinen savikerros. Moreenikerroksen päällä on paikoin ohut silttikerros. Moreenikerros alkaa noin 20 metristä ja voi paikoin olla yläosaltaan löyhää, mutta muuttuu nopeasti tiiviiksi (liite 2). Rakennus on perustettu puupaaluille, jotka olivat, pohjaveden alenemisen seurauksena alkaneet lahota ja perustukset olivat päässeet painumaan. Tästä syystä lahoamaan alkaneet puupaalut tarvitsivat korjausta. /14./ Ennen korjauksen aloittamista, pohjasuhteet tutkittiin tarkkaan. Tontilta, jolla rakennus sijaitsee, tehtiin siipikairauksia kolme kappaletta, painokairauksia kaksi kappaletta sekä porakonekairauksia kaksi kappaletta, lisäksi vuonna 1990 oli tontilla tehty painokairauksia neljä kappaletta. Lisäksi alueelle oli asennettu kolme orsiveden havaintoputkea (liite 1). /14./ Lisäksi ennen korjaustoimenpiteiden alkua selvitettiin koekuoppatutkimusten avulla puupaalujen kuntoisuutta koko alueella. Koekuoppatutkimuksia tehtiin yhteensä viisi kappaletta. Koekuoppatutkimuksista kävi ilmi mm. seuraavia asioita esimerkkinä koekuopan 1 tulokset: Koekuoppa 1 ja puupaalunäytteet lattialaatan paksuus on 150 mm + 80 mm lattialaatan alapuolella on ryömintätila, jonka korkeus on anturan yläpinnasta lattialaatan alapintaan 2,2 m betonianturan ympärillä oli kosteaa savea betonianturan alapuolella ei havaittu tyhjää tilaa puupaalun yläpäätä ympäröi betoni ja kostea savi puupaalun halkaisija oli 175 mm betonianturan alapinnan alueella puupaalun solukkorakenne oli murskaantunut paalun koko poikkipinnassa puupaalusta otettu näyte koestettiin piikillä mekaanisesti
35 puupaalun pintaosassa oli pehmeyttä 11 mm syvyyteen saakka muilta osin näyte oli kova koekuopassa havaittiin niukasti orsivettä. Samanlaisia tuloksia saatiin muistakin neljästä koekuopasta. Koekuoppatutkimusten perusteella koko rakennuksen alueella oli puupaalujen alueella laajoja mekaanisia vaurioita. puupaalunäytteiden perusteella puupaalujen yläpäiden mekaanisten vaurioiden aiheuttaja ei ollut lahottajasieni. /14./ Koekuoppatutkimusten tulosten perusteella rakennuksen alueella oli suuri määrä paaluja, joiden kantavuus oli menetetty kokonaan. Joukossa saattoi olla myös hyväkuntoisempia paaluja mutta todennäköisesti myös nämä paalut olivat lähestymässä mekaanista murtotilaa, koska kuormitukset olivat siirtyneet heikommin kantavista paaluista näihin paaluihin. /14./ Vaurioituneiden paalujen lukumäärän kasvaessa seurauksena olisi ollut rakennuksen perustusrakenteiden toimintamekanismin laaja-alainen pettäminen. Vaaitustulosten perusteella puupaalujen yläpäiden mekaaniset vauriot olivat jo aiheuttaneet rakennuksen epätasaista painumista. Näin rakennuksen runkorakenteiden ehjänä pysymisen edellytys oli perustusten vahvistaminen ensi tilassa. /14./
Kuva 18. Koekuoppatutkimuksentulos vanhasta rakenteesta väliseinän kohdalla. /14./ 36
37 Rakennuksen puupaaluista korvattiin Skanska Mini Pileilla ja puristuspaaluilla. Skanska Mini Pileja tuli yhteensä 132 kappaletta, paalujen keskipituus oli 26,3 m ja koko toteutunut määrä oli 3472,2 m. Puristuspaaluja tuli 32 kappaletta. /15./ Esimerkkikohteessa 132 kappaleesta Skanska Mini Pilea tuli ns. hukkapaaluja vain viisi kappaletta. Nämä paalut huomattiin jo paalutustyön aikana ja niitä ei näin ollen edes lyöty lopulliseen tiukkuuteen asti, vaan ne poistettiin jo paalutustyön aikana. Tällöin syynä oli, että paalu osui puupaaluun tai johonkin muuhun esteeseen ja se muutti suuntaa, jolloin paalut saatiin poistettua jo työn aikana. /15./ Skanska Mini Pileilla hylkäysprosentti oli nolla. Yhtään moreeniin asti lyötyä paalua ei siis hylätty. Paalut, jotka valotestissä osoittautuivat kaareviksi, mitattiin kaarevuussäteen määrittämiseksi inklinometrimittauksella ja mittaustulosten perusteella kaikki paalut olivat määritettyjen kaarevuussäderajojen sisällä. Kaarevien paalujen kantavuutta lisättiin vain raudoitusta lisäämällä. /15./
38 7.2 Koekuormitukset ja mittaukset 7.2.1 Koekuormitukset ja ehjyysmittaukset yleistä Koepaalutus esimerkkikohteessa As Oy Asemakatu 4, tarkoitti 10 15 paalua, jotka upotettiin laskennalliseen tiukkuuteen 500 kg järkäleellä 1,5 m pudotuskorkeudella ja loppulyöntivaatimus oli 20 mm/ 10 iskua tai pienempi. Kantavuus mitattiin osasta koepaaluista. Koepaaluista kolme tarkastettiin PDAmittauksella ja kolme paalua staattisella koekuormituksella. Koekuormitukset tehtiin useassa vaiheessa, kun paalut oli betonoitu. Koepaalutusten upotuksen aikana mitattiin lähirakenteiden siirtymiä ja tärinöitä. Esimerkkikohteessa paaluille suoritettiin ehjyysmittauksia koekuormitusten lisäksi. Ehjyysmittauksia suoritettiin 30 paalulle. Ehjyysmittausten tarkoituksena oli määrittää paalujen betonin ehjyys. 7.2.2 Staattinen koekuormitus Staattiset koekuormitukset suoritettiin useassa vaiheessa, kun paalut oli injektoitu. Koekuormitetut paalut olivat ensivaiheessa upotettu laskennalliseen tiukkuuteen 500 kg pudotusjärkäleellä 1,5 metrin pudotuskorkeudella loppulyöntitiukkuus on 15 mm/ 10 iskua tai pienempi. Toisessa vaiheessa paalut lyötiin tiukempaan 5 mm/ 10 iskua suuremmalla pudotuskorkeudella. Koekuormituksissa käytettiin hydraulista 90 tonnin Enercap-merkkistä tunkkia. Koekuormitusohjelma tehtiin yhteistyössä geosuunnittelijan kanssa. Koekuormituksessa kuormaa lisättiin aina, kun paalun tulkittiin olevan pysähtynyt. Jokaista kuormitusporrasta eli tietyllä kuormalla kuormitettiin paalua vähintään viisi minuuttia. Tavoitteena oli päästä 900 kn kuormitukseen asti. Kuormituksen aikana siirtymää seurattiin kahdella siirtymäkellolla, joiden lukematarkkuus on 0,01 mm. Siirtymäkellojen lukemista laskettiin paalun siirtymä, joka oli näiden kahden kellon lukemien keskiarvo. Lisäksi voimaa seurattiin yhdellä painemittarilla koekuormituksen aikana. Taulukossa 3 on esitettypaalun numero 38 staattisen koekuormituksen tulokset.
39 Taulukko 3. Paalun 38 staattisen koekuormituksen tulokset. Kuormitus kello1 kello2 step1 step2 KA Siirtymä lukema1 lukema2 KN 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,28 1,34 100-1,29 3,34-1,29 3,34 1,03 1,03-0,01 4,68 200 1,71 8,01 3,00 4,67 3,84 4,86 2,99 9,35 300 5,26 12,57 3,55 4,56 4,06 8,92 6,54 13,91 400 8,74 17,06 3,48 4,49 3,99 12,90 10,02 18,40 450 11,10 19,99 2,36 2,93 2,65 15,55 12,38 21,33 500 13,26 22,65 2,16 2,66 2,41 17,96 14,54 23,99 550 18,33 27,02 5,07 4,37 4,72 22,68 19,61 28,36 600 23,12 31,37 4,79 4,35 4,57 27,25 24,40 32,71 650 33,58 39,80 10,46 8,43 9,45 36,69 34,86 41,14 200 30,03 37,13-3,55-2,67-3,11 33,58 31,31 38,47 100 26,43 33,31-3,60-3,82-3,71 29,87 27,71 34,65 0 23,57 23,81-2,86-9,50-6,18 23,69 24,85 25,15 Paalu 38 0,00 kuorma [kn] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 5,00 10,00 siirtymä [mm] 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Siirtymä Kimmoinen muodonmuutos Kuva 19. Paalun 38 staattisen koekuormitustuloksen kuvaaja.